表面形狀測量裝置及方法

專利名稱：表面形狀測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及在通過對物體進行光照射且根據該干涉光對物體的表面形狀進行測 量的技術中、尤其將多個不同波長的光切換地進行照射的多波長移相干涉術有關的物體的 表面形狀測量裝置及方法。
背景技術：
目前，作為高精度地測量物體的表面形狀的技術，公知的有使用光波的干涉的移 相干涉術(例如參照專利文獻1)。作為該移相干涉術的特征，通過從使參照平面移動了某 已知量時所得到的多個干涉條紋圖像中對干涉條紋的相位進行解析，能夠消除環境和噪音 的影響。由此，通過移相干涉術可獲得相位檢測精度高達波長的1/100左右。但是，實際上，某個像素(x，y)的相位是使用整數m(以下稱為條紋次數)由(數 1)賦予的。與此相對，通過該方法可檢測的干涉條紋相位為(數1)中的牝(x，y)，相位為 從0至2 Ji。由于在這樣的狀態下不能表現出物體表面的形狀，因此，存在對相位超過2 Ji 而折返的部分進行檢測并使之結合的“相位結合”的方法。但是，即使在該方法中，當不連 續部分或者半波長以上的段差時，由于干涉條紋不連續，也就不能高精度地測量形狀。數1(j)/ (x,y) = (t^x, y)+2 3im(x, y)…(數 1)相對于這樣的問題，公知的有將兩個不同波長的光切換地進行照射的“雙波長移 相干涉術”(例如參照專利文獻2)。該方法中，對波長不同的兩個光的相位進行比較，在相 位差從0至2^1的范圍，能夠將一個光的波長的條紋次數一意地決定。在此，將求得條紋次 數的光的波長和相位分別設為、、(^^，一，在條紋次數!!!^，。決定后，物體的表面高度 h(x,y)可由(數2)賦予，因此，基本上能夠以1波長的移相的精度進行測量。數2h(x,y) = (A1/2) {(t^x, y)/2Ji)+m(x,y)}...(數 2)另外，若將雙波長(波長入1，入2)的相位進行合成且將相位差從0至2 Ji的區間 認為生成了 1波長的光，則與在該合成波長的光下檢測相位是等效的。在此，合成波長X eq 由(數3)表示。相對于單波長的測量量程為X 1/2，雙波長(也稱兩波長)的合成波長的 測量量程擴大至X6q/2。數3Xeq=(入一入公八入廣入)…(數3)下面表示具體的方法。首先，在波長入工、、分別進行移相。將在各像素中可檢 測的相位設為^、小2時，成為(數4)。在此，h(x，y)表示像素(x,y)中的高度，n^ (x，y)、 m2(x, y)表示兩波長的理想條紋次數。接著，使用該相位值由(數5)求出雙波長間的光程 差AD。數4(t^x, y) = (4 31/入丄)Xh(x，y)-2 3imi(x，y)
(t2(x, y) = (4 3i/A2) Xh(x, y)-2 3im2(x, y)…(數 4)數5AD = (、X 小「入 2X 小2)/2 1…(數 5)由此，像素(x，y)的波長\ ,的條紋次數如下求出。首先，使用條紋次數mi、m2的關系進行情況劃分。即，條紋次數mi和m2的關系在 雙波長的合成波長的測量量程內有以下三種情況，分別通過不同的計算式求出條紋次數m。(l)m2 = ml 的情況(數 6)
(2) m2 = ml-1 的情況(數 7)(3) m2 = ml+1 的情況(數 8)數6m= AD/A 入=(、X 小「入 2X 小2)/2 1 (入廠入丄)...(數 6)數7m = (AD/A A ) + ( A 2/ A 入)=(入丄父小「入 2X(J)2)/2 3i ( A 2-A + A 2/( A 2-A …(數7)數8m = (AD/A A ) - ( A 2/ A 入)=(入小「入 2X(j52)/2Ji ( A 2-A - A 2/( A 2-A ...(數 8)這些情況劃分是以“(l)-Ji< (小「小 2) < Ji，，、“(2)(小「小 2) > Ji，，、“(3) ”條件進行判別的。可通過由此所求出的條紋次數m加以四舍五入來決定。可通過以上的動作將測量量程擴大。作為該方法的應用，有如下所述的多波長移相干涉術，其通過進一步照射不同波 長的光而生成不同的兩個合成波長，并對合成波長進一步適用雙波長移相干涉術，進一步 使合成波長延長。包含雙波長移相干涉術的多波長移相干涉術中存在不耐噪音的問題。下面對該理 由進行說明。首先，能夠在一個合成波長的測量量程內一意地決定的條紋次數之數n由(數9) 賦予。越使波長差減少，能夠判別的條紋次數之數就越增大。將相位差從0至2^1的區域 進行分割且用于條紋次數的判別時，條紋次數1所分配的相位差寬度為2 ji /n。就不發生 條紋次數錯誤的條件而言，將各波長的相位檢測誤差設為S S⑵時，其為(數10)，且n 越大則容許的相位檢測誤差越減小。例如n = 30時，如果在各波長不設為X/120以下，則 條紋次數錯誤不會成為0。數 9n = A2/(A2-A1) ...(數 9)數106 ,1+6 < (Ji/n) …(數 10)因此，即使相位的檢測精度與1波長相等，測量量程越被擴大，越在條紋次數決定 時容易發生錯誤。而且，不滿足(數10)時，條紋次數中產生誤差，測量結果中發生半波長 單位的誤差。作為誤差的外部原因，除了隨機誤差以外，還可舉出雙波長間的相位偏移、及 測量結果的解析工序中在實際所照射的光的波長和運算中使用的波長值之間存在差異。
誤差原因中，關于雙波長間的相位偏移，正在研究以雙波長移相干涉術的測量精 度提高為目的的條紋次數錯誤修正算法(例如，參照專利文獻3)。其為如下所述的方法，在 條紋次數計算的四舍五入工序中，通過對四舍五入前后的條紋次數進行比較，檢測出雙波 長間的相位偏移的影響，并通過按照消除該影響的方式在四舍五入前的條紋次數上加上或 者減去修正值，來修正條紋次數。對其進行解析陳述，由各波長的移相所得到的實際的相位在所述的(數4)中包括 相位偏移S，如(數11)所示。數11(t^x, y) = (4 31/入丄)Xh(x，y)-2 3imi(x，y)(t2(x, y) = (4 3i/A2) Xh(x, y)-2 3im2(x, y)-8…(數 11)(數11)的相位偏移5是在h(x，y)= 0時的雙波長間的相位差。將其代入(數 6)、(數7)、(數8)，就成為以下三種情況。(l)m2 = mi 的情況(數 12)(2)m2 = m「l 的情況(數 13)(3)m2 = mi+l 的情況(數 14)數12m= AD/A 入=(入 iX 小「入 2X 小2)/231 (入 2-入 1) + {入2/2 1 (入 2-入 1)} S ...
(數 12)
數13 m = (AD/A A ) + ( A 2/ A 入)=(入丄父小「入 2X(J)2)/2 3i ( A 2-A + A 2/( A 2-A+U2/2ji (入廠入丄)} S …(數 13)數14m = (AD/A A ) - ( A 2/ A 入)=(入小「入 2X(j52)/2Ji ( A 2-A - A 2/( A 2-A+{X2/2ti (A^Aj)} 6 …(數14)BP,(數12) (數14)的任一種情況，都成為(數15)。在S =0的情況下，與 (數6) —致；否則的情況下則產生來自ml的偏移。在8 =0的理想的情況下，m = mi，因 此，將％稱為理想條紋次數。將理想條紋次數叫和所計算出的條紋次數之間的差設為Am。 可知在差Am上重疊隨機誤差時，四舍五入的階段中誤差程度(也稱誤差量誤差分)易超 過0.5，條紋次數錯誤的產生比率增高。數15m = m1+{A2/2 3i ( A 2-A } 6 …(數 15)與之相對，所述條紋次數錯誤修正算法中，首先，將條紋次數m被四舍五入后的值 設為m'，求出差(m' _m)的分布。該分布為從-1/2至1/2為止，將其制成直方圖的話，則 為圖9A及圖9B。相位偏移5的影響存在時，分布的峰從0起移位，其移位量與相位偏移 6的項相等，因此，能夠在不受隨機誤差的影響的狀態下檢測出相位偏移5的項。專利文 獻3的方法中，通過將移位量檢測出并從條紋次數m扣除后再一次進行四舍五入，來防止條 紋次數錯誤。另外，專利文獻3中，由于通常在超過雙波長的合成波長的測量量程的表面形狀中不能進行上述的條紋次數錯誤的修正，所以提案有將相當于一個測量量程的部分抽出的 標號計算法。專利文獻專利文獻1 (日本)特開2003_344025號公報專利文獻2 美國專利第4832489號專利文獻3 (日本)特開2005-326249號公報但是，上述目前的多波長移相干涉術中，可將測定量程擴展，但測定精度會下降。 具體而言，上述目前的算法中，將照射的光的波長作為已知數來進行處理的，但經過溫度變 化或者時間推移，有時光的波長的實際波長和運算值不同。在這種情況下，存在噪音的檢測 精度及條紋次數錯誤的修正精度降低的問題。以上各數式中，運算值中加上“'”，與實際的值進行區別。相位(^、[由上述的 (數11)賦予，在(數5)及(數6)的情況下，成為(數16)、(數17)。在此，A/、入2' 是運算的值。數16AD，= { A / X 小「入 2，X 小2}/2 31 …(數 16)數17m，= AD/(入2，-入/)...(數 17)將(數11)代入(數16)、(數17)，得到條紋次數m和理想條紋次數叫的關系(數 18)、(數19)。由此可知，理想條紋次數叫越增大，誤差Am也越增大。數18m(x,y) {(入 2_ 入工)/ (入 2，-入 / )} Xm! (x，y) - {入 2，/2 Ji (入 2，-入 / )} S …
(數 18)數19Am(x,y) = m—n^ = [ {入 2-入「(入 2，-入 / )} / (入 2，-入 / )]Xrnjx，y)-{A2' /2 3i (入 2，-入 / )} 6 …(數19)如上所述，目前的算法中，著眼于條紋次數四舍五入時的誤差程度，由于根據條紋 次數而誤差Am不同，因此，修正精度不充分，誤差Am增大時發生錯誤。

發明內容
本發明是解決上述目前技術的問題的發明，其目的在于提供與目前的多波長移相 干涉術相比較，能夠高精度地測量物體的表面形狀的表面形狀測量裝置及方法。為了實現上述目的，本發明構成如下。根據本發明的第一方式，其具備將光輻射的光源；透射波長分別不同的多個波長濾波器；切換所述多個波長濾波器的切換裝置；干涉光學系統，使透過由所述切換裝置切換的所述多個波長濾波器中的一個波長 濾波器的光分路后向被檢測物和參照面進行照射，且使所分別反射的光疊加而干涉；
攝像裝置，對由所述干涉光學系統干涉的干涉條紋的圖像進行攝像；干涉條紋相位檢測部，從由所述攝像裝置攝像的圖像中計算出干涉條紋的相位；濾波器角度調節部，使由所述切換裝置切換所述多個波長濾波器所算出的、至少 兩個波長的干涉條紋的相位組合而檢測出波長差，基于所述波長差，對與入射至所述波長 濾波器的光的光軸相對應的所述多個波長濾波器中的一個波長濾波器的傾斜角度進行調 節；解析部，在所述一個波長濾波器的傾斜角度調節后的狀態下，通過所述干涉光學 系統、所述攝像裝置、所述干涉條紋相位檢測部的使用，進行所述被檢測物體的表面形狀測量。根據本發明的第二方式，在第一方式所述的表面形狀測量裝置中，其還具備運算 錯誤防止部，基于通過使至少兩個波長的干涉條紋的相位組合所檢測出的所述波長差，對 干涉條紋的相位進行修正。根據本發明的第三方式，在第二方式所述的表面形狀測量裝置中，
所述運算錯誤防止部具有條紋次數計算部，使所述兩個波長和相位組合來計算各像素中的條紋次數；條紋次數分布解析部，根據由所述條紋次數計算部算出的所述條紋次數的分布而 檢測出所述兩個波長間的波長差和相位差；波長值修正部，修正所述任一個波長的運算值而使其與波長差一致；相位值修正部，將在所述任一個波長的相位修正后所述兩個波長的相位差為0時 的相位值計算出并進行修正。根據本發明的第四方式，在第三方式所述的表面形狀測量裝置中，所述濾波器角度調整部由角度控制部構成，該角度控制部以預先使所述波長濾波 器和光軸的角度傾斜成設在5度 10度的范圍內的值之狀態為基準，在士 1度的范圍內調 節所述波長濾波器的角度，并且，所述表面形狀測量裝置還具備基于由所述條紋次數分布解析部算出的波 長差和所述設計值之差來計算角度控制量的角度控制量計算部，在所述運算錯誤防止部中，由所述多個波長濾波器組合的所述兩個波長(入” A 2)，在所述角度控制部的基準狀態下滿足(數20)，其中n設為整數。數2011=入2/(入2-入1) …(數 20)根據本發明的第五方式，提供一種表面形狀測量方法，使來自光源的光透射波長濾波器，使透過所述波長濾波器的光分路后向被檢測物 體及參照面進行照射，且使所分別反射的光疊加而干涉；將由所述被檢測物體和所述參照 面所反射的光疊加而干涉的光作為圖像進行攝像；從所述攝像的圖像中計算出所干涉之光 的干涉條紋相位的相位計算步驟，在至少兩個不同波長的波長濾波器的切換下進行之后，使所述至少兩個波長的干涉條紋的相位組合并檢測出波長差，基于所述波長差，對與入射至所述波長濾波器的光的光軸相對應的所述多個波長 濾波器中的一個波長濾波器的傾斜角度進行調節；在所述一個波長濾波器的傾斜角度調節后的狀態下，進行所述相位計算步驟，從而進行所述被檢測物體的表面形狀測量。根據本發明的第六方式，在第五方式所述的表面形狀測量方法中，還具有運算錯誤防止步驟，基于通過使所述兩個波長的干涉條紋的相位組合所檢 測出的波長差，對相位進行修正。根據本發明的第七方式，在第六方式所述的表面形狀測量方法中，在所述運算錯誤防止步驟中，在使所述兩個波長的相位組合并檢測出波長差、且 基于所述檢測的實際的波長差對相位進行修正時，使所述兩個波長的相位組合而由條紋次數計算部計算出各像素中的條紋次數，根據由所述條紋次數計算部算出的所述條紋次數的分布，由條紋次數分布解析部 檢測出所述雙波長間的波長差和相位差，由波長值修正部修正所述任一個波長的運算值而使其與實際的波長差一致，由相位值修正部將在所述任一個波長的相位修正后所述雙波長的相位差為0時 的相位值計算出并進行修正。根據本發明的第八發明，在第七方式所述的表面形狀測量方法中，在由所述條紋次數分布解析部根據所述條紋次數計算部所算出的所述條紋次數 的分布而檢測出所述雙波長間的實際的波長差和相位差時，根據所述兩個波長的干涉條紋相位，計算出在所述兩波長的條紋次數一致的像素 中的條紋次數，且計算條紋次數的分布的直方圖，檢測出所述直方圖的多個峰位置和所述直方圖的多個峰間隔，根據所述峰間隔和所述峰位置來檢測出所述相位差。根據本發明的第九發明，在第七方式所述的表面形狀測量方法中，由所述濾波器角度調節部按照使所述波長差與設計值一致的方式對使所述多個 波長濾波器中的一個波長濾波器傾斜的角度進行調節時，通過角度調節部，以預先使所述波長濾波器和光軸的角度傾斜成設在5度 10度 的范圍內的值之狀態為基準，在士 1度的范圍內調節所述波長濾波器的角度，并且，基于由所述條紋次數分布解析部算出的波長差和所述設計值之差，由角度 控制量計算部計算出角度控制量。根據所述構成的裝置及方法，能夠抑制波長變動的影響，與以前相比，能夠高精度 地測量物體的表面形狀，另外，能夠將條紋次數的運算錯誤控制在最小限度，提高形狀測量 精度，另外，通過使波長差始終與設計波長差一致，能夠防止從上述式的條件由波長的變動 引起偏離，能夠防止相對于時間推移或溫度變化的測量精度的降低。根據本發明，可以起到如下所述效果，即，相對于溫度變化大的環境、或物體的表 面性狀粗糙且易發生錯誤的物體，在利用多波長移相干涉術的測量中，能夠高精度地測量 物體的表面形狀。


通過與關于附圖的優選實施方式相關聯的如下的記述可以明確本發明的這些和 其它的目的和特征，該圖中，圖1A是表示作為本發明第一實施方式的表面形狀測量裝置的一例的干涉測量裝置的概略圖；圖1B是表示所述第一實施方式的所述干涉測量裝置的切換裝置的構成的概略 圖；圖1C是表示從圖1B的箭頭指向C觀測到的、所述第一實施方式的所述干涉測量 裝置的切換裝置的構成的概略圖；圖1D是表示從圖1B的箭頭指向D觀測到的、所述第一實施方式的所述干涉測量 裝置的切換裝置的構成的概略圖；圖1E是表示所述干涉測量裝置的解析部的構成的圖；圖2A是所述第一實施方式的表面形狀測量方法的初次測量流程圖；圖2B是所述第一實施方式的表面形狀測量方法的第二次以后的測量流程圖；圖3是所述第一實施方式的解析部的動作流程圖；圖4是所述第一實施方式的錯誤防止算法的測量流程圖；圖5是表示所述第一實施方式的條紋次數分布的修正前直方圖的圖；圖6是表示所述第一實施方式的條紋次數分布的修正后直方圖的圖；圖7是表示作為本發明的第二實施方式的表面形狀測量裝置之一例的干涉測量 裝置的概略圖；圖8是所述第二實施方式的表面形狀測量方法的測量流程圖；圖9A是目前的條紋次數修正算法的修正原理圖；圖9B是目前的條紋次數修正算法的修正原理圖；圖10是表示在測量電路圖案時的與波長濾波器和光軸的角度偏移相對應的波長 變化量的圖表；圖11是表示在測量顯示面板用電極圖案時的與波長濾波器和光軸的角度偏移相 對應的波長變化量的圖表。
具體實施例方式在本發明的記述中，在附圖中對相同的部件標注相同的參考符號并省略說明。下面，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。(第一實施方式)圖1A是表示作為本發明第一實施方式的表面形狀測量裝置的一例的干涉測量裝 置的概略圖。圖1A中，作為一例的低相干光源的光源101，是將具有多個波長(例如、波長入工、 入2兩個波長)的光進行輻射的光源。作為該光源101，例如使用SLD(Super Luminescent Diode)、鹵鎢燈、重疊了高頻率的LD (Luminescent Diode)等。尤其，SLD在數10nm的波長 帶域可輻射高亮度的光，是適用于雙波長移相術的光源。從光源101所輻射的光通過準直透鏡102成為平行光。準直透鏡102優選的是在 兩個不同的波長Xp、的雙方中，使射出的光盡可能地平行，且在測量視場內使光量分布 盡可能地均勻。例如，為了使從SLD或LD射出的光的光量分布均勻，作為準直透鏡102的 一例使用變形棱鏡(Anamorphic Prism)等。就形成為平行光的光而言，其波長由波長濾波器103限定。波長濾波器103其透射波長被包含于光源101輻射的光的波長帶，且透過波長濾波器103后的兩個波長(X i、入2) 始終滿足(數21)的關系。在此n為整數。數2111=入2/(入2-入1)…(數21)作為兩個波長(人、A2),例如波長780nm和810nm的組合滿足(數21)的關系， 合成波長為Xeq N 21 ym左右，與僅1波長的情況相比，測定范圍擴大至26倍。由此，使 用多波長移相干涉術，可進行高度離散偏差大的物體的表面形狀測定。另外，波長濾波器103的透射波長帶域優選可確保進行測量所需的充分的可干涉 距離，例如，使用透射波長帶域為數nm左右的干涉濾波器等。透射波長帶域為3nm時，可干 涉距離為lOOym左右。該值在本發明中即使考慮設置精度也可以說是充分的值。將多個 波長濾波器103安裝于作為切換裝置(切換機構)104S的一例的濾波輪104，通過濾波輪 104對透過不同波長的波長濾波器103可分別進行切換。在此，使用了濾波輪104，但也可 以相對于來自光源101的光透過的光路由氣缸等使多個波長濾波器出入來切換多個波長 濾波器。就切換裝置104S而言，作為一例，如圖1A 圖1E所示，其由濾波輪104、旋轉機構 (角度控制部)104c、電動機104b構成。在濾波輪104具有多個波長濾波器103。作為一 例，如圖1C所示，波長濾波器103由分別透過不同波長的4個波長濾波器103A、103B、103C、 103D (例如波長\ ！用的波長濾波器103A、103C和波長\ 2用的波長濾波器103B、103D)構 成。在濾波輪104的旋轉中心有軸104a被固定，在軸104a連結有電動機104b的旋轉軸。 而且，電動機104b被驅動旋轉時，能夠使濾波輪104旋轉規定的角度，并將自光源101的光 透過的波長濾波器103切換為其它的波長濾波器103。通過在濾波輪104所設置的旋轉機 構(傾斜機構)104c,能夠調節相對于來自光源101的光的光軸的、波長濾波器103的傾斜。 作為該旋轉機構(角度控制部)104c可以使用公知的機構。旋轉機構104c作為濾波器角度調節部的一例發揮功能，鑒于基于溫度變化或時 間推移所假想的波長變動，對波長濾波器103和來自光源101的光的光軸的角度進行調節。 因此，優選的是，預先將光的入射角(相對于與入射至波長濾波器103的光的光軸正交的軸 之角度)設為規定的角度(基準角度)e (例如，在5度 10度的范圍內決定的值(初始 值)，例如9度)，并在基準角度e的士1度的范圍內，能夠以0.01度以下的精度控制所述 角度。作為實現上述內容的裝置或機構，例如有使用步進電動機的旋轉臺。透過波長濾波器103的光由反射鏡向半透明鏡106側反射后，入射到半透明鏡 106。而且，透射波長濾波器103的光被半透明鏡106分割，所分割的光分別入射到被檢測 物體107和參照面108，該被檢測物體107由XY工作臺等被檢測件保持部107h保持。被檢 測物體107為測量對象物。之后，由被檢測物體107和參照面108分別反射的光，再次在半 透明鏡106重合(也稱疊加)并相互干涉。而且，所重合的光透過成像透鏡109后在攝像 機110成像。即，使在干涉狀態下透過成像透鏡109的光在攝像機110的受光元件上成像 而進行攝像。參照面108安裝于壓電工作臺111，通過驅動壓電工作臺111，能夠使參照面 108沿光軸方向移動。該壓電工作臺111至少能移動光源的波長程度的距離。另外，由半透明鏡106和參照面108和被檢測件保持部107h構成干涉光學系統 103的一例。另外，由成像透鏡109和攝像機110構成攝像裝置(攝像機構)131的一例。
自動工作臺112及位置記錄部113相對于透過各波長濾波器103的光使成像透鏡 109及攝像機110分別預先移動至對焦的位置，并分別記錄這些位置。而且，在控制部1000 的控制下，在測量開始的同時，與由濾波輪104所進行的波長切換同步地使成像透鏡109及 攝像機110分別移動至規定的位置。即意思是，例如，按照在第一波長、和第二波長入2 之間的波長濾波器103的切換，使成像透鏡109及攝像機110分別移動至第一波長入！用 的位置和第二波長入2用的位置。其原因在于，由于在上述780nm和810nm的雙波長(入丨、 入2)的組合中，在成像透鏡109上存在不可忽視的光軸上的色差，因此要對其進行修正。由 測量中移動的攝像機110所取入的圖像，從攝像機110輸入解析部114，所輸入的圖像的信 息被解析部114解析。即，本實施方式的表面形狀測量裝置中的處理，除了旋轉機構104c 的角度控制處理以外，均由解析部114進行。解析部114如圖1E所示由作為干涉條紋相位 檢測部的一例的相位計算部114c、運算錯誤防止部114d、表面高度計算部114e、角度控制 量計算部114f構成。該解析部114與切換裝置104S、角度控制部104c、攝像機110、和位置 記錄部113、自動工作臺112、壓電工作臺111分別連接，并且可相互進行需要的信息的輸入 或輸出，在控制部1000的控制下，進行表面形狀測量裝置的表面形狀測量動作。另外，控制 部1000分別與解析部114和光源101直接連接，并且經由解析部114與切換裝置104S、旋 轉機構104c、攝像機110、位置記錄部113、自動工作臺112、壓電工作臺111間接地分別連 接，對各自的動作進行控制。圖2A是表示關于形狀測量的測量流程圖，對于上述在圖1A示出其構成的雙波長 干涉計的形狀測量方法，參照圖1A及圖2A及圖2B進行說明。下面的處理是在控制部1000 的控制下由解析部114自身進行的。首先，進行波長入工的移相(參照步驟S101)。在切換裝置104S中，將波長濾波器 103切換為波長\ x用的波長濾波器103 (設定為波長\ )，由旋轉機構104c使波長濾波器 103向規定的角度(基準角度)e (例如，在5度 10度的范圍內決定的值(初始值)，例 如9度)傾斜。而且，通過自動工作臺112使成像透鏡109及攝像機110向位置記錄部113 所記錄的且為波長、的對焦的位置分別移動，進行移相的動作。接著，進行波長、的移相(參照步驟S102)。在切換裝置104S中，將波長濾波 器103從波長\ i用的波長濾波器103切換為波長\ 2用的波長濾波器103，由角度控制部 104c使波長濾波器103向規定的角度(基準角度)e (例如，在5度 10度的范圍內決定 的值(初始值)，例如9度)傾斜。而且，通過自動工作臺112使成像透鏡109及攝像機110 向位置記錄部113所記錄的且為波長入2的對焦的位置分別移動，進行移相的動作。接著，將攝像機110所攝像的圖像取入解析部114的相位計算部114c，并將所取入 的圖像由解析部114的相位計算部114c進行解析(參照步驟S103)。所取入的圖像由解析 部114進行解析后，物體的表面形狀數據(物體的表面高度)及波長X 2的角度控制量由 解析部114計算出。這樣，完成第一次表面形狀測量動作。圖2B是表示在通過所述圖2A的形狀測量有關的測量流程圖進行的表面形狀測量 后所要進行的、第二次以后的表面形狀測量有關的測量流程圖的圖。下面的處理也在控制 部1000的控制下由解析部114自身進行。首先，步驟S104是用于下一次表面形狀測量的準備動作。即，根據由步驟S103的 處理所得到的波長\ 2的角度控制量，通過旋轉機構104c對波長濾波器103和光的入射角(參照步驟S104)進行控制。換言之，通過旋轉機構104c，按照使實際的波長差與設計值 一致的方式，對使多個波長濾波器103中的一個波長濾波器103 (波長入2用的波長濾波器 103)傾斜的角度進行調節。該第二次測量中，在基于步驟S104的處理結果控制了波長濾波器103和光的入射 角的狀態下，通過進行與圖2A相同的步驟S101 步驟S103，進行第二次的表面形狀測量。以上的步驟S101 步驟S103、步驟S104、步驟S101 步驟S103是表面形狀測量 動作、和使測量條件固定化的波長控制的動作。另外，圖3是表示在圖2A及圖2B所示的步驟S103的處理中的解析部114的動作 的流程圖。下面，對步驟S103的處理進行詳細說明。首先，通過解析部114的相位計算部114c，在從雙波長的干涉光圖像起分別進行 移相的狀態下，計算干涉條紋的相位^^、(參照步驟Sill)。接著，根據相位計算部114c計算出的相位(^、小2及波長入工、、的輸入值，由解 析部114的運算錯誤防止部114d按照所述的(數6)、(數7)、(數8)計算出所述條紋次數 m(參照步驟S112)。換言之，由運算錯誤防止部114d使兩個波長的相位組合而檢測出實際 的波長差，且基于檢測出的實際的波長來修正相位。在此，首先，在計算條紋次數前，通過運 算錯誤防止部114d執行按照與理想條紋次數叫的偏差Am為最小的方式修正波長差和相 位值的“錯誤防止算法”。關于“錯誤防止算法”將后述。使用所修正的波長值和相位值，根 據(數6)、(數7)、(數8)，由運算錯誤防止部114d算出條紋次數m。接著，使用相位牝及條紋次數m，根據上述的(數2)，由解析部114的表面高度 計算部114e求出物體的表面高度h(x、y)(步驟S113)。接著，使實際所照射的光的波長差與設計值一致所需要的、波長濾波器103和光 的入射角由解析部114的角度控制量計算部114f計算(步驟S114)。首先，在步驟S112的處理中使用運算錯誤防止部114d按照后述的“錯誤防止算 法”檢測出實際的波長差，且與設計波長差的差A由角度控制量計算部114f計算。接著，波長濾波器103的角度控制量由角度控制量計算部114f計算出，但在此，預 先將波長濾波器103的基準角度e設為9度，并在基準角度e 士 1度的微小范圍內調節角 度。該基準角度9的選擇范圍例如從5度 10度的范圍內選擇基準角度。因為在該范圍 以外光的透過量降低過度，因此不優選。由此，可使與設計波長差的差△和角度線性近似， 傾斜量e2由(數22)賦予。數2202 = a(A/A0)+9[deg]…(數 22)在此，\ Q是波長濾波器103的波長(nm)，A是要修正的波長量(nm)。a是由波 長濾波器103的特性及基準角度所決定的系數，例如在本實施方式的干涉濾波器中，取a = 781. 3的值。在800nm附近的波長下，在士1度的范圍內進行約士lnm的波長控制。波長 濾波器103的溫度特性在所述波長下按0. 03nm/°C賦予，因此，可知能夠充分地應對波長變 動。另外，步驟S114的處理中，由角度控制量計算部114f控制兩個波長中的一個波長 并使波長差與設計值一致。通過控制兩個波長中的一個波長而使波長差始終固定的方法， 其效果可通過(數23)、(數24)得以確認。關于將波長差入2-、控制為一定的情況和不控制為一定的情況，各自與、！的變化相應的條紋次數的數n的變化量An為(1)存在使波長差固定的控制(數23)(2)不存在使波長差固定的控制(數24)，減少至(、_、)/、倍。(數 23)An = dn/cUi = ^(入廠入》…(數 23)(數24)An = dn/cU丄=入^(入廠入》2…(數24)例如，將波長\ ！設為780歷，將波長\ 2設為810nm，由于溫度的變化，僅波長入工 的波長濾波器103的透射波長變化。在波長一溫度特性為0. 03nm/°C左右的情況下，若溫 度變化為30度，則波長入工的變化為0. 9nm。這樣，就溫度變換前的條紋次數的數n = 26 而言，沒有波長控制時的變化量An = 0. 835 ；相對于此，進行波長差控制時的變化量為An =0.03，幾乎沒有發生變化。由此，上述的(數21)的條紋次數的數n的變化被大幅抑制， 條紋次數的數n始終取與整數接近的值。這樣，即使是超過雙波長的測量量程的表面形狀， “錯誤防止算法”也是有效的。從不依賴于標號計算法等方法這一觀點來看，對于使測量對 象擴大化具有意義。圖4是表示使用運算錯誤防止部114d進行的、“錯誤防止算法”部分的動作的流程 圖。為了進行下面的處理，如圖1E所示，運算錯誤防止部114d由條紋次數計算部114d-l、 條紋次數分布解析部114d-2、波長值修正部114d-3、相位值修正部114d-4構成。首先，根據兩個波長X 1、X 2的值及兩波長的相位，與上述的(數6)、(數7)、(數 8)相同，各像素中的條紋次數m由運算錯誤防止部114d的條紋次數計算部114d-l計算出 (步驟S121)。在此不進行四舍五入。接著，通過運算錯誤防止部114d的條紋次數分布解析部114d-2，根據所求出的視 場內的條紋次數來制作條紋次數的分布m(x、y)，從該制作的條紋次數的分布m(x、y)抽出 適當的像素，計算出條紋次數m的直方圖(步驟S122)。在此，抽出適當的像素的意思是抽 出干涉條紋的對比度比閾值高的部分的像素(可作為有效像素來處理的像素)。像素抽出 中，優選(數6)的！！^二！^的條件。圖5表示實際進行測量所得到的直方圖。從(數18) 可知，直方圖在每個A X/A X ‘處具有峰、且為伴隨(數18)的第二項的移位的分布。接著，通過運算錯誤防止部114d的條紋次數分布解析部114d-2，求出所述直方圖 的多個峰位置和直方圖的多個峰間隔，來計算出實際的波長差(步驟S123)。作為峰值間隔 的計算方法可以考慮各種方法，但優選通過傅立葉變換求出功率譜等的耐噪音的方法。可 以對該峰間隔乘以運算波長差A A ‘，來計算實際的波長差。接著，通過運算錯誤防止部114d的波長值修正部114d-3，使運算波長差A入‘與 實際的波長差A X —致(步驟S 124)。對波長\ 1或者波長\ 2進行修正而使運算的波 長差A X ‘與實際的波長差A A 一致，將(數19)的第一項設為“0”。接著，通過運算錯誤防止部114d的相位值修正部114d-4，基于被修正后的波長 值，更新直方圖的峰位置(步驟S125)。即使不對直方圖進行再次的計算，通過(數18)只 要更新峰值的位置即可。接著，通過運算錯誤防止部114d的相位值修正部114-4，計算出各峰位置和理想條紋次數的差(步驟S126)。其以高精度地求出(數19)的第二項為目的。在此，為了進行 差的計算，可以考慮將各峰位置和理想條紋次數的差全部求出并進行平均等的方法。接著，通過運算錯誤防止部114d的條紋次數部分解析部114d-2，從所述峰位置求 出所述雙波長的相位差、即雙波長間的相位偏移5 (步驟S127)。將(數19)的第二項的值 設為X時，可以根據(數25)求出相位偏移8。數25S =-{231 (入2，-入 / )/入 2，} XX …(數 25)接著，通過運算錯誤防止部114d的相位值修正部114d-4，進行使相位(t2以位相 偏移S行進的處理(步驟S128)。為了使各像素中的相位以位相偏移5行進，具有各 種方法，可單純地在各像素的加上相位偏移S，在超過2^1的部分或者少于0的部分減 去或者加上2 ji而得到。接著，通過運算錯誤防止部114d，根據被修正后的波長及相位ct2的值，計算 條紋次數分布m(x，y)，并通過進行四舍五入而決定各像素中的條紋次數m(步驟S129)。在 該時刻所得到的直方圖，如圖6所示，峰與理想條紋次數mi —致。根據上述構成，在雙波長移相中，不論由溫度變化或者時間推移所假想的波長變 動如何，都能夠最大限度地限制條紋次數錯誤，與目前的算法相比，能夠提高測量精度。下 面，對提高測量精度的例子進行說明。測量電路圖案時，測量對象物的段差的量級為10 50i!m，將測量量程設為 100 y m時，需要的測量精度為lOOnm。就專利文獻1的方法的測量精度而言，在\ ！ = 800nm、A 2 = 805nm的情況下，當 溫度變化為士 20°C時，產生0.03(nm/°C )X20(°C ) = 0. 6 (nm)的波長變動。另外，測量 50um的段差時，測量精度為1. 78 u m,導致精度不足。與之相對，第一實施方式的測量中，可在37. 3nm的測量精度下進行測量。這時， 關于所需要的波長濾波器103的角度控制量，為了與20°C的溫度變化相對應，在、= 士0.6nm(士0.07%)的范圍內控制來自光源的光的波長的情況下，以角度e =5°為基準， 在4° 6°的范圍內進行控即可。圖10是表示與波長濾波器103和來自光源101的光的 光軸的角度偏移相對應的波長變化量的圖表。測量顯示面板用電極圖案時，測量對象物的段差的量級為1 10 ii m，將測量量程 設為20 ym時，所需要的測量精度為10nm。就專利文獻1的方法的測量精度而言，在\ ！ = 780nm、A 2 = 810nm的情況下，溫 度變化為20°C時，產生0.03(nm/°C ) X20(°C ) =0.6 (nm)的波長變動。另外，測量10 ym 的段差時，測量精度為189nm，導致精度不足。與此相對，第一實施方式的測量中，可在7. 41nm的測量精度下進行測量。這時，關 于需要的波長濾波器的角度控制量，在入2 = 士0.6nm(士0.07% )的范圍內控制波長的情 況下，為了與20°C的溫度變化相應，以角度e =5°為基準，在4° 6°的范圍內進行控 即可。圖11是表示與波長濾波器103和來自光源101的光的光軸的角度偏移相對應的波 長變化量的圖表。另外，溫度變化量相等的情況下，無論測量量程如何，波長變化量不變。(第二實施方式)圖7是表示作為本發明的第二實施方式的表面形狀測量裝置之一例的干涉測量裝置的概略圖。圖7中，對于和圖1A 圖1E相同的構成要素使用相同的符號，并省略其說明。在 第二實施方式中，濾波輪204與上述第一實施方式的濾波輪104相對應。第二實施方式中， 安裝于濾波輪204的波長濾波器103 (103A、103B、103C)為三個。三個波長濾波器103 (103A、 103BU03C)可分別由切換裝置104S進行切換(作為該構成，例如在圖1C中，替代波長濾波 器103C而配置波長濾波器103E即可)。將各個波長濾波器103(103A、103B、103C)的不同 透射波長設為X工、X 2、X 3時，通過雙波長移相的動作所組合的兩個波長始終滿足(數21)。 例如，下面使(Xp 及(Xp 的雙波長移相組合而進行三波長移相，且這些波長的 組合始終滿足(數21)。圖8是表示關于形狀測量的測量流程圖的圖。對于由在圖7示出其構成的干涉測 量裝置即三波長移相干涉計的形狀測量的方法，參照圖7及圖8進行說明。另外，第二實施 方式的三波長移相中，成為使所述的第一實施方式的雙波長移相及錯誤防止算法組合的動 作。以下的處理在解析部114的控制下進行，或者由解析部114自身進行。首先，進行波長入和入2的雙波長移相(參照步驟S201)。該動作與從上述圖2A 及圖2B中的步驟S101的處理到步驟S103的處理相對應。只是，在步驟S103的處理的解 析中，進行從圖3的步驟S111的處理到步驟S112的處理，得到波長入2和相位小2的修正 值及條紋次數ma。接著，進行波長入和X 3的雙波長移相(參照步驟S202)。與步驟S201的處理 相同，得到波長入3的和相位的修正值及條紋次數mb。接著，通過條紋次數ma、mb生成合成相位(ta、t (參照步驟S203)。合成相位扒 由(數26)求出。關于合成相位(K，也與合成相位同樣地求出。(數 26)c]5a = {(入廠入^/入]((^+231110 …(數 26)接著，對合成相位cK、6b進行雙波長移相(參照步驟S204)。該動作與從圖2A及 圖2B中的步驟S101的處理到步驟S103的處理、及從圖3的步驟S111的處理到步驟S112 的處理相對應。關于合成相位6a、6b，只要在步驟S201的處理、步驟S202的處理中修正 了波長和相位，便不需要進行修正。將求出的條紋次數四舍五入，得到條紋次數m。。接著，從條紋次數m。及條紋次數ma，根據(數27)，計算出三波長合成波長的測量 量程內的條紋次數m(參照步驟S205)。數27m = ma+{A2/(A2-A1)}mc …(數 27)接著，通過將得到的條紋次數m四舍五入，并代入(數2)，算出高度h(x、y)(參照 步驟S206)。接著，基于在步驟S201的處理及步驟S202的處理中所檢測出的波長差，按照與圖 3的步驟S114的處理相同的方式，使波長差與設計值一致(參照步驟S207)。由此，實際的 波長入2、、得以修正，(數21)所示的條紋次數的數成為整數，在下一次的測量步驟S201 的處理及步驟S202的處理中，能夠維持誤差檢測精度。通過設為上述的構成，無論由溫度變化或時間推移所假想的波長變動或物體的表 面形狀如何，都能夠修正波長誤差和相位偏移，且與目前的多波長移相干涉術中的測量相比，可高精度地測量物體的表面形狀。另外，通過適當組合上述各種實施方式或變形例中的任意的實施方式或實施例， 能夠起到各自所具有的效果。工業上的可利用性本發明的表明形狀測量裝置及方法，通過相對于波長誤差和相位偏移對運算值 進行修正并將波長差固定為一定，能夠提高在溫度變化大的環境下的測量、或物體的表面 性狀粗糙且易發生條紋次數錯誤的物體有關的測量精度，另外，認為也可通過測量母板 (master)而應用于光源的波長校正。因此，為了評價物體的表面形狀，本發明例如可使用于 顯示面板的電極、電路圖案、或者金屬加工零件等的表面形狀測量。對于本發明，在參照附圖的同時與優選實施方式相聯系地充分地進行了闡述，但 對于熟習該技術的人來說，明顯可進行各種變形或修正。這樣的變形或修正只要不脫離所 添附的權利要求書的本發明的范圍，都應理解為包含于其中。
權利要求
一種表面形狀測量裝置，其具備光源，將光進行輻射；多個波長濾波器，透射波長分別不同；切換裝置，切換所述多個波長濾波器；干涉光學系統，使透過由所述切換裝置切換的所述多個波長濾波器中的一個波長濾波器的光分路后向被檢測物和參照面進行照射，且使所分別反射的光疊加而干涉；攝像裝置，對由所述干涉光學系統干涉的干涉條紋的圖像進行攝像；干涉條紋相位檢測部，從由所述攝像裝置攝像的圖像中計算出干涉條紋的相位；濾波器角度調節部，使由所述切換裝置切換所述多個波長濾波器所算出的、至少兩個波長的干涉條紋的相位組合而檢測出波長差，基于所述波長差，對與入射至所述波長濾波器的光的光軸相對應的所述多個波長濾波器中的一個波長濾波器的傾斜角度進行調節；解析部，其在所述一個波長濾波器的傾斜角度調節后的狀態下，通過所述干涉光學系統、所述攝像裝置、及所述干涉條紋相位檢測部的使用，進行所述被檢測物體的表面形狀測量。
2.如權利要求1所述的表面形狀測量裝置，其中，還具備運算錯誤防止部，基于通過使至少兩個波長的干涉條紋的相位組合所檢測出的所述波 長差，對干涉條紋的相位進行修正。
3.如權利要求2所述的表面形狀測量裝置，其中， 所述運算錯誤防止部具有條紋次數計算部，使所述兩個波長和相位組合來計算出各像素中的條紋次數； 條紋次數分布解析部，根據由所述條紋次數計算部算出的所述條紋次數的分布而檢測 出所述兩個波長間的波長差和相位差；波長值修正部，修正所述任一個波長的運算值而使其與波長差一致； 相位值修正部，將在所述任一個波長的相位修正后所述兩個波長的相位差為O時的相 位值計算出并進行修正。
4.如權利要求3所述的表面形狀測量裝置，其中，所述濾波器角度調節部由角度控制部構成，該角度控制部以預先使所述波長濾波器和 光軸的角度傾斜成設在5度 10度的范圍內的值之狀態為基準，在士 1度的范圍內調節所 述波長濾波器的角度，并且，所述表面形狀測量裝置還具備基于由所述條紋次數分布解析部算出的波長差 與所述設計值之差來計算角度控制量的角度控制量計算部，在所述運算錯誤防止部中，由所述多個波長濾波器所組合的所述兩個波長(X1, λ2)， 在所述角度控制部的基準狀態下滿足(數1)，其中η設為整數， η = X2ZiU2-X1)…(數 1)。
5.一種表面形狀測量方法，使來自光源的光透射波長濾波器，使透過所述波長濾波器 的光分路后向被檢測物體及參照面進行照射，且使所分別反射的光疊加而干涉；將由所述 被檢測物體和所述參照面所反射的光疊加而干涉的光作為圖像進行攝像；從所述攝像的圖 像中計算出所干涉之光的干涉條紋相位的相位計算步驟，在至少兩個不同波長的波長濾波 器的切換下進行之后，使所述至少兩個波長的干涉條紋的相位組合并檢測出波長差， 基于所述波長差，對與入射至所述波長濾波器的光的光軸相對應的所述多個波長濾波 器中的一個波長濾波器的傾斜角度進行調節；在所述一個波長濾波器的傾斜角度調節后的狀態下，進行所述相位計算步驟，從而進 行所述被檢測物體的表面形狀測量。
6.如權利要求5所述的表面形狀測量方法，其中，還具有運算錯誤防止步驟，基于通過使所述兩個波長的干涉條紋的相位組合所檢測出 的波長差，對相位進行修正。
7.如權利要求6所述的表面形狀測量方法，其中，在所述運算錯誤防止步驟中，在使所述兩個波長的相位組合并檢測出波長差、且基于 所述檢測的實際的波長差對相位進行修正時，使所述兩個波長的相位組合而由條紋次數計算部計算出各像素中的條紋次數， 根據由所述條紋次數計算部算出的所述條紋次數的分布，由條紋次數分布解析部檢測 出所述兩波長間的波長差和相位差，由波長值修正部修正所述任一個波長的運算值而使其與實際的波長差一致， 由相位值修正部將在所述任一個波長的相位修正后所述兩波長的相位差為O時的相 位值計算出并進行修正。
8.如權利要求7所述的表面形狀測量方法，其中，在由所述條紋次數分布解析部根據所述條紋次數計算部所算出的所述條紋次數的分 布而檢測出所述兩波長間的實際的波長差和相位差時，根據所述兩個波長的干涉條紋相位，計算出在所述兩波長的條紋次數一致的像素中的 條紋次數，且計算出條紋次數的分布的直方圖，檢測出所述直方圖的多個峰位置和所述直方圖的多個峰間隔， 根據所述峰間隔和所述峰位置來檢測出所述相位差。
9.如權利要求7所述的表面形狀測量方法，其中，由所述濾波器角度調節部按照使所述波長差與設計值一致的方式對使所述多個波長 濾波器中的一個波長濾波器傾斜的角度進行調節時，通過角度控制部，以預先使所述波長濾波器和光軸的角度傾斜成設在5度 10度的范 圍內的值之狀態為基準，在士 1度的范圍內調節所述波長濾波器的角度，并且，基于由所述條紋次數分布解析部算出的波長差與所述設計值之差，由角度控制 量計算部計算出角度控制量。
全文摘要
本發明提供一種表面形狀測量裝置，其使利用雙波長移相干涉術的物體的表面形狀測量裝置的測量精度提高。其具備低相干光源的光源(101)、透射波長不同的多個波長濾波器(103)、角度控制部(104c)、解析部(114)，并且，通過在實施雙波長移相干涉術時由解析部(114)檢測出雙波長的波長差且對在一個波長運算下的波長值和相位值進行修正，來防止條紋次數的運算錯誤。接著，通過控制波長濾波器(103)的角度，使實際的波長差與設計值一致。由此，始終可使雙波長的波長差控制為恒定，從而即使存在由溫度變化或時間推移所引起的波長變動也能夠高精度地測量表面形狀。
文檔編號G01B9/02GK101889189SQ20098010129
公開日2010年11月17日 申請日期2009年9月29日 優先權日2008年9月30日
發明者浦島毅吏, 追風寬歲 申請人:松下電器產業株式會社